HYDROLOGI NOTAT GS-VEG FRØSET

Transkript

1 Oppdragsgiver: Oppdrag: Utbedring av kryss, Støren Skissere lengdeprofil og skjæring Dato: Skrevet av: Haregewoin Haile Chernet Kvalitetskontroll: Jon Zeigler HYDROLOGI GS-VEG FRØSET INNHOLD 1 Innledning Flomberegning Nedbørfelt Ny Gang- og sykkelveg Klimatillegg Rasjonelle formel Dimensjonerende flom Vannlinjeberegning Geometri og elvemodell Dimensjon av eksisterende stikkrenne Mannings tall (hydrauliske ruhetsverdier) Grensebetingelser Vannlinje for 200-årsflom Kapasitetsvurdering av stikkrenne Stikkrenne under FV Stikkrenne under Rørosbanen Anbefalinger for ny rørdimensjon Oppsummering Usikkerhet Rereranser Vedlegg...17

2 Side 2 av 17 1 INNLEDNING I forbindelse med planleggingen av ny gang- og sykkelvegen langs Frøsetvegen og Fv632 i Midtre Gauldal kommune har Asplan Viak gjort flom og hydrauliske beregninger for å kontrollere at dimensjon på eksisterende stikkrenner har tilstrekkelig kapasitet ved flom. Oversiktskart over planområdet og stikkrenner er vist i Figur 1-1. Figur 1-1: Oversiktskart over planområdet. 2 FLOMBEREGNING En flomberegning bestemmer sammenhengen mellom flommens gjentaksintervall og tilhørende vannføring. Vannføringen kan deretter brukes til å bestemme vannstand og vannhastigheter gjennom en hydraulisk modell. I henhold til Statens vegvesens Håndbok N200 er 200-årsflommen beregnet. Det beregnes dimensjonerende vannmengder fra naturlig nedbørfeltet og nytt vegareal. Dimensjonerende vannmengder er beregnet med den rasjonelle metode. 2.1 Nedbørfelt Nedbørfeltet til punktet rett nedstrøms stikkrenne under FV632 har et totalt areal på 1,56 ha og nedbørfeltet til punktet rett nedstrøms stikkrenne under Rørosbanen har et totalt areal på 1,67 ha. Flomberegningen er gjort for de tre beregningspunktene som vist i Figur 2-1. Karakteristiske feltdata er vist i Tabell. Nedslagsfeltene er beregnet ved bruk av Arc GIS hydrologi verktøy.

3 Side 3 av 17 Figur 2-1: Nedbørfeltet og beregningspunktene (punkt 1, 2 og 3). Tabell 2-1: Feltparametere for de naturlige feltene. Felt areal Felt Skog Snaufjell Myr Urban % Dyrket mark % % % % Eff. sjø % Hmax/Hmin moh ha Felt 1 0,91 24,2 75,8 130/95 Felt 2 0,65 9,73 90,27 122/95 Felt 3 0, / Ny Gang- og sykkelveg Fallet på gang og sykkelvegen er inn mot grøft i nord og alt vann fra vegen renner til grøften. Det er totalt ca. 164 m veg med avrenning mot grøften og vegareal inkludert fyllingen er ca. 864 m Klimatillegg For å ta hensyn til fremtidig økning i nedbør som følge av klimaendringer, er det lagt til en klimafaktor i henhold til anbefaling i Håndbok N200 (SVV, 2014). For 200-årsflom skal brukes 50 % og for 100-årsflom skal brukes 40 %.

4 Side 4 av Rasjonelle formel Den rasjonelle formelen baserer seg på målt nedbør. Avrenningen (Q) er gitt ved: Q = C * i * A *K f Hvor: Q = avrenning (l/s) C = avrenningsfaktor, ubenevnt i = dimensjonerende nedbørintensitet (l/s.ha) A = feltareal (ha) K f = klimafaktor Nedbørintensitet Nedbørintensitet er hentet fra nærmeste målestasjon der det foreligger en IVF-kurve med tilfredsstillende kvalitet. Varighet til nedbøren er gitt av nedbørfeltenes konsentrasjonstid. Målestasjonen Trondheim - Risvollan (68230) er benyttet. Denne målestasjonen ligger ca. 41 kilometer nord fra prosjektområdet, og har tilgjengelige data for perioden (31 sesonger). IVF-kurvene for målestasjonen er vist i Vedlegg Nedbørfeltets konsentrasjonstid Konsentrasjonstiden til nedbørfeltene (naturlige felt), t c, er oppgitt i minutter, og er beregnet etter formelen gitt i Håndbok N200. t c = 0,6 x L x H -0, x A se Hvor: L = lengden av nedbørfeltet (m). H = høydeforskjellen i nedbørfeltet (m) A SE = effektiv sjøprosent, forholdstall ((0 Ase 1) Tabell 2-2: Parametere benyttet for å beregne konsentrasjonstid for nedbørfeltene. Felt 1 Felt 2 Felt 3 Vegbane Feltlengde L (m) ,2 164 H min (moh) ,9 H maks (moh) A se (%) H (m) ,6 T c (min) Avrenningsfaktor Avrenningsfaktoren, C, er et mål på hvor mye av den totale nedbøren som drenerer fra et område. Faktorens størrelse er avhengig av terrengtype, vegetasjon, helning og sannsynlighet for overflateavrenning fra feltet. Det er benyttet erfaringstall for avrenningsfaktorer for ulike

5 Side 5 av 17 terrengtyper oppgitt i Vassdragshåndboka (Fergus m. fl., 2010). I henhold til Håndbok N200 (SVV, 2014 Kapitel 405), skal C-faktoren økes med 25% for 100-årsflom og 30 % for 200- årsflom. Maksimal C-faktor er C=0,95. Tabell 2-3, Tabell 2-4, Tabell 2-6 og Tabell 2-5 viser en oversikt over benyttede verdier for avrenningskoeffisienter. Tabell 2-3: Avrenningskoeffisienter, C, for nedbørfeltet Felt 1 med 30% påslag (til maks C=0,95) for returperiode på henholdsvis 200 år etter anbefaling i N200. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Innsjøer 0 0 0,90 0 Snaufjell 0 0 0,89 0 Myr 0 0 0,70 0 Skog 24, ,78 0, ,87 Dyrket mark 0 0 0,30 0 Urban 75, ,22 0, , , ,04 C 200 år 0,98 C max 0,95 Tabell 2-4: Avrenningskoeffisienter, C, for nedbørfeltet Felt 2 med 30% påslag (til maks C=0,95) for returperiode på henholdsvis 200 år etter anbefaling i N200. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Innsjøer 0 0 0,90 0 Snaufjell 0 0 0,89 0 Myr 0 0 0,70 0 Skog 9,73 630,31 0,60 378,19 Dyrket mark 0 0 0,30 0 Urban 90, ,69 0, , ,00 0, ,34 C 200 år 1,01 C max 0,95 Tabell 2-5: Avrenningskoeffisienter, C, for nedbørfeltet Felt 3 med 30% påslag (til maks C=0,95) for returperiode på henholdsvis 200 år etter anbefaling i N200. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Innsjøer 0 0 0,90 0 Snaufjell 0 0 0,89 0 Myr 0 0 0,70 0 Skog ,00 0,60 638,40 Dyrket mark 0 0 0,30 0 Urban 0 0 0, ,00 0,60 638,40 C 200 år 0,78 C max 0,95

6 Side 6 av 17 Tabell 2-6: Avrenningskoeffisienter, C, for vegbane med 25% påslag (til maks C=0,95) for returperiode på henholdsvis 100 år etter anbefaling i N200. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Innsjøer 0 0 0,9 0 Snaufjell 0 0 0,89 0 Myr 0 0 0,70 0 Skog 0 0 0,40 0 Dyrket mark 0 0 0,30 0 Vegbane ,00 0,90 777,60 864,00 0,90 777,60 C 200 år 1,13 C max 0, Flomberegning Beregning av dimensjonerende vannmengde ved bruk av den rasjonale formelen er vist i Tabell 2-7. Klimatillegg er inkludert i beregningen. Tabell 2-7: Beregnet dimensjonerende vannmengde med den rasjonelle formelen. Felt 1 Felt 2 Felt 3 Vegbane Areal (ha) 0,91 0,65 0,11 86 Avrenningskoeffisient, C 0,95 0,95 0,78 0,95 Nedbørfeltets konsentrasjonstid (min) Nedbørintensitet, i (l/s.ha) , Klimafaktor, K f 1,5 1,5 1,5 1,4 Q (m 3 /s) 0, Q klimajustert (m 3 /s) 0,18 0, Dimensjonerende flom Dimensjonerende 200-årsflom fra den naturlige nedbørfelt rett nedstrøms stikkrenne FV632 er beregnet til: Q 200 fra Felt 1 + Q 200 fra Felt 2 + Q 200 fra vegareal = 0,32 m 3 /s Dimensjonerende 200-årsflom fra naturlig nedbørfelt rett nedstrøms stikkrenne under Rørosbanen er beregnet til: Q 200 fra Felt 1 + Q 200 fra Felt 2 + Q 200 fra Felt 3 + Q 200 fra vegareal = 0,35 m 3 /s

7 Side 7 av 17 3 VANNLINJEBEREGNING 3.1 Geometri og elvemodell Det er satt opp en 1D hydraulisk modell av flomveien for å kunne se på de hydrauliske forholdene ved de eksisterende stikkrenner under eksisterende veg og jernbanen. Modelleringsprogrammet Hec-Ras er benyttet. Terrengmodellen er generert med laserdata. Bunnen til flomveien og terrenget i den hydrauliske modellen er representert i form av tverrprofiler som er tatt ut fra terrengmodellen. Figur 3-1 viser plassering av tverrprofilene benyttet i modellen. Høydene er gitt i NN2000. Figur 3-1: Kartet viser tverrprofiler for flomveien benyttet i Hec-Ras modellen. 3.2 Dimensjon av eksisterende stikkrenne Tabell 3-1: Stikkrennedimensjon (Høydereferanse er NN2000). Stikkrenne under FV632 Stikkrenne under Rørosbanen Materialtype Betong Betong Lengde [m] 11,05 7,6 Antatte innløpshøyde [moh] - Kote +68,75 Antatte utløpshøyde [moh] Kote +78,0 Kote +68,6 Rør diameter, D [m] 0,30 0,30

8 Side 8 av Stikkrenne under FV632 På grunn av mye snø ved innløpet, var det ikke mulig å få data om innløpet fra befaringen. Derfor vil denne vurderingen bare gi resultater for antatte innløpshøyder. Det velges Type 3 innløpstyper for stikkrenne (Groove end entrance; pipe projecting from fill). Tabell 3-2 viser antatte innløpshøyder og innløpstyper. Tabell 3-2: Antatte innløpshøyder og innløpstyper for stikkrenne under FV632 (Høydereferanse er NN2000). Innløpstype Type Antatt Innløpshøyde (moh) 8 Antatt Utløpshøyde (moh) 78,0 79,5 78,0 79,0 78,0 Mannings tall (hydrauliske ruhetsverdier) Alle typer energitap som påvirker vannstanden langs elveløpene er representert ved en enkelt faktor, Mannings tall, n, (hydraulisk ruhet). Den hydrauliske ruheten i elva er bestemt på grunnlag av litteratur (Chow, 1988). Flomveien og flomslettene er vurdert som bratt helling og tett skog. Ruheten (n = 1/M) i flomveien og flomslettene er satt til n = 0,15 (M = 6,67). Figur 3-2: Bilder av nedbørfeltet - oppstrøms side av stikkrenne under FV632. Foto:

9 Side 9 av Grensebetingelser Vannføringen fra flomberegning er brukt som inngangsdata i den hydrauliske modellen (stasjonær strømning). For flomveien er det antatt at det oppstår normalstrømning ved oppstrøms og nedstrøms ende av modellen. Ved normalstrømning følger vannspeilet helningen til elvebunnen. 3.5 Vannlinje for 200-årsflom Modellen er kjørt med beregnet dimensjonerende flom lik 0,32 m 3 /s for stikkrenne under FV632 and 0,35 m 3 /s for stikkrenne under Rørosbanen. Resultatene for vannlinjeberegningen for de tre antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er vist i Tabell 3-3, Tabell 3-4, og Tabell 3-5. Figur 3-3, Figur 3-4 og Figur 3-5 viser beregnet vannlinje som lengdeprofil. Tabell 3-3: Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froude tall ved tverrprofilene (Profil 1 til Profil 10). Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +8. Profil [nr] Rør under FV632 Rør under Rørosbanen *Energigradient Høyde Min. flomvei bunn Vannstand EG Høyde* Hastighet [m/s] Froude tall 1 108,12 108,24 108,28 0,81 0, ,82 100,96 101,01 0, ,05 92,25 92,41 1,81 1, ,86 86,08 86,1 0,82 0, ,01 82,01 0, ,98 77,22 77,3 1,22 1, ,17 71,34 71,45 1,45 1, , ,85 67,99 68,03 0,94 0, ,94 65,16 65,2 0,91 0,91

10 Side 10 av Lengdeprofil Legend WS Q200 Ground Elevation (m) Profil 9 Rør under Rørosbanen Profil 7 Profil 6 Rør under FV632 Profil Main Channel Distance (m) Figur 3-3: Lengdeprofil av flomveien med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for dimensjonerende flom. Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +8. Tabell 3-4: Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froude tall ved tverrprofilene (Profil 1 til Profil 10). Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +79,5. Profil [nr] Rør under FV632 Rør under Rørosbanen *Energigradient Høyde Min. flomvei bunn Vannstand EG Høyde* Hastighet [m/s] Froude tall 1 108,12 108,24 108,28 0,81 0, ,82 100,96 101,01 0, ,05 92,25 92,41 1,81 1, ,86 86,08 86,1 0,82 0, ,82 81,82 0, ,98 77,22 77,3 1,22 1, ,17 71,34 71,45 1,45 1, , ,85 67,99 68,03 0,94 0, ,94 65,16 65,2 0,91 0,91

11 Side 11 av Lengdeprofil Legend WS Q200 Ground Elevation (m) Profil 9 Rør under Rørosbanen Profil 7 Profil 6 Rør under FV632 Profil Main Channel Distance (m) Figur 3-4: Lengdeprofil av flomveien med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for dimensjonerende flom. Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +79,5. Tabell 3-5: Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froude tall ved tverrprofilene (Profil 1 til Profil 10). Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +79,0. Profil [nr] Rør under FV632 Rør under Rørosbanen *Energigradient Høyde Min. flomvei bunn Vannstand EG Høyde* Hastighet [m/s] Froude tall 1 108,12 108,24 108,28 0,81 0, ,82 100,96 101,01 0, ,05 92,25 92,41 1,81 1, ,86 86,08 86,1 0,82 0, ,33 81,33 0, ,98 77,22 77,3 1,22 1, ,17 71,34 71,45 1,45 1, , ,85 67,99 68,03 0,94 0, ,94 65,16 65,2 0,91 0,91

12 Side 12 av Lengdeprofil Legend WS Q200 Ground Elevation (m) Profil 9 Rør under Rørosbanen Profil 7 Profil 6 Rør under FV632 Profil Main Channel Distance (m) Figur 3-5: Lengdeprofil av flomveien med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for dimensjonerende flom. Antatte innløpshøyder for stikkrenne under FV632 er kote +79,0. 4 KAPASITETSVURDERING AV STIKKRENNE Kapasiteten til en stikkrenna kan være bestemt av forhold bare ved innløpet (innløpskontrollert) eller av forholdene i kulverten som helhet (utløpskontrollert). Stikkrenner og korte kulverter med stort fall både i røret og nedstrøms utløpet (> 10 ) har vanligvis innløpskontroll, mens stikkrenner og kulverter med lite fall, samt lange kulverter har vanligvis utløpskontroll (Fergus m. fl., 2010). Dimensjonerende kapasitet (Q kap ) må være større eller lik den dimensjonerende avrenningen fra nedbørsfeltet (Q dim ). Samtidig må ikke vannstanden foran stikkrenne (H w ) være så høy at fyllingen tar skade eller at vann ledes ut av vannveien (NVE 28, 2016). Generelt anbefales det at oppstrøms vannstand H W ikke overstiger toppen av innløpet: Dimensjoneringskrav: H W /D 1 Der: H W = Oppstrøms vanndybde [m] D = Kulvertdimensjon (høyde) [m] Ved dimensjoneringskrav H W /D 1,0, det vil si at oppstrøms vanndybde ikke skal bli større enn rørets diameter. 4.1 Stikkrenne under FV632 For stikkrenne under eksisterende veg FV632, er kapasiteten sjekket ved innløpskontroll. Stikkrenne kapasiteten er bestemt av innløpshøyde og innløpstype, men innløpshøyden og innløpstypen er ikke kjent og resultatene er basert på antatte innløps- og utløpshøyde som trekkes ut fra terrengmodellen.

13 Side 13 av 17 Vannlinjen for dimensjonerende flom er beregnet til å ligge 171 cm over underkanten av røret for antatt innløpshøyde kote +8; 202 cm over underkanten av røret for antatt innløpshøyde kote +79,5; 203 cm over underkanten av røret for antatt innløpshøyde kote +79,0. Dette viser at det er ikke god margin fra dimensjonerende vannstand til topp av stikkrenne. Den eksisterende stikkrenne tverrsnitt har dermed ikke tilstrekkelig kapasitet til å avlede beregnet dimensjonerende flom, og det vil derfor nødvendig å øke gjennomstrømningsarealet. Resultatene fra beregningen er oppsummert i Tabell 4-1. Tabell 4-1: Beregnet vannlinje ved innløpet til stikkrenne for dimensjonerende flom. Stikkrenne under FV632 Antatt Innløpshøyde Kote +8 Kote +79,5 Kote +79,0 Rørtype - Betong Lengde [m] 11,05 11,05 11,05 Antatt innløpshøyde [moh] 8 79,5 79,0 Antatt utløpshøyde [moh] 78,0 78,0 78,0 Kulvert høyde, D [m] 0,30 0,30 0,30 Vannstand ved innløp, H W [m] 2,01 2,32 2,33 H W /D 6,7 7,73 7,76 Kapasitet Ikke tilstrekkelig Ikke tilstrekkelig Ikke tilstrekkelig 4.2 Stikkrenne under Rørosbanen For stikkrenne under eksisterende jernbanen, er kapasiteten sjekket ved innløpskontroll. Innløp- og utløpshøyde trekkes ut fra terrengmodellen. Vannlinjen for dimensjonerende flom er beregnet til å ligge 91 cm over underkanten av røret. Dette viser at det er ikke god margin fra dimensjonerende vannstand til topp av stikkrenne. Eksisterende stikkrenne har dermed ikke tilstrekkelig kapasitet til å avlede beregnet dimensjonerende flom, og det vil derfor være nødvendig å øke gjennomstrømningsarealet. Resultatene fra beregningen er oppsummert i Tabell 4-2. Tabell 4-2: Beregnet vannlinje ved innløpet til stikkrenne for dimensjonerende flom. Stikkrenne under Rørosbanen Rørtype - Betong Lengde [m] 7,4 Antatt innløpshøyde [moh] 68,75 Antatt utløpshøyde [moh] 68,60 Kulvert høyde, D [m] 0,30 Vannstand ved innløp, H W [m] 1,28 H W /D 4,26

14 Side 14 av 17 Kapasitet Ikke tilstrekkelig 4.3 Anbefalinger for ny rørdimensjon Det ble beregnet nødvendig rørstørrelse for dimensjonerende flom. Anbefalt minimum dimensjon for røret er vist i Tabell 4-3. Tabell 4-3: Forslag til minimum rør dimensjon for dimensjonerende flom. Ny rør Under FV632 Under Rørosbanen Rørtpe Betong Anbefalt innløpshøyde [moh] Kote +79,0 Kote +68,75 Anbefalt utløpshøyde [ %] Kote +78,0 Kote +68,22 Anbefalt diameter [m] 0,50 0,50 H W [m] 0,39 0,40 H W /H [m] 0,78 0,80 Kapasitet Tilstrekkelig Tilstrekkelig Lengdeprofil Legend 82 WS Q200 Ground 80 Elevation (m) Profil 6 Ny Rør under FV632 D=0,5m Main Channel Distance (m) Tabell 4-4: Lengdeprofil av flomveien med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for dimensjonerende flom, ny rør under FV632.

15 Side 15 av Lengdeprofil Legend WS Q200 Ground 69 Elevation (m) Profil 9 Ny Rør under Rørosbanen, D=0,5m Profil Main Channel Distance (m) Tabell 4-5: Lengdeprofil av flomveien med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for dimensjonerende flom, ny rør under Rørosbanen. 5 OPPSUMMERING Vannmengden fra den nye GS-vegarealet er svært liten og konsekvensene av den nye GSvegen på avrenning in totalt nedbørfeltet er ubetydelig sammenlignet med flom fra det naturlige nedslagsfeltet. Kapasiteten til stikkrenner under FV632 og Rørosbanen er ikke tilstrekkelig ved 200-årsflom. Flommene passerer igjennom stikkrenne for antatte innløpshøyder kote +79,5 og kote +79 ved stikkrenne under FV632, men det oppstår oppstuvning på oppstrøms side og det finnes ingen ekstra kapasitet i form av frispeilstrømning i stikkrenne. 6 USIKKERHET Kvaliteten på vannlinjeberegningene avhenger av en godt kalibrert vannlinjeberegningsmodell. I dette tilfellet er modellen ikke kalibrert ut fra observerte vannstander da det ikke er registrert vannstander i forbindelse med flomvannføringer. Nøyaktighet i tverrprofiler, innløps- og utløpshøyde av stikkrenne, avstand mellom tverrprofiler, usikkerhet i estimat av ruhet og helning er blant de viktigste usikkerhetsfaktorene.

16 Side 16 av 17 7 RERERANSER Chow, V.T., 1988: Open-Channel Hydraulics, Caldwell, New Jersey: The Blackburn Press. Fergus, T., et. al, 2010: Vassdragshåndboka. Håndbok i vassdragsteknikk. Trondheim: Tapir Akademisk Forlag. HEC-USACE, 2016: HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, U,S, Army Corps of Engineers, Hydraulic Engineering Center (HEC), Davis, CA, USA. NVE, 28/2016: Drenering for veg og jernbane. NIFS delprosjekt 5 Flom og vann på avveie. NVE, 4/2011: Retningslinjer for flomberegninger til 5-7 i forskrift om sikkerhet og tilsyn med vassdragsanlegg. Retningslinje 4/2011. Norges vassdrags- og energidirektorat. SVV, 2014: Håndbok N200 Vegbygging. Statens vegvesen. SVV, 2015: Håndbok N400 Bruprosjektering. Statens vegvesen.

17 Side 17 av 17 8 VEDLEGG Vedlegg 1: IVF-kurver